偏振光调控手性凝胶的设计及其性能研究

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利用外部刺激对超分子自组装过程进行动态调控,在纳米技术、电子学、组织工程以及医学领域有着广泛的应用价值。光刺激以其可远程调控、精准聚焦、快速切换的特性,推动了光响应性分子器件及设备的研究。圆偏振光是一串由纯左旋或者右旋旋转角动量的光子形成的光子流,作为一种真实存在的手性实体,被认为是生物界单一手性分子的起源之一。由圆偏振光引发的绝对不对称(AAS)和镜像对称破缺(MSB)以及纳米粒子超分子手性自组装得到了广泛的研究,但是对于圆偏振光下的分子自组装现象则鲜有报道。偶氮苯作为一种典型的光响应基团,以其独特的光致异构特性,被广泛应用于光响应性分子的构筑中。通常,基于偶氮苯的凝胶因子由于反式偶氮苯平面结构和对称结构具有很强的自组装能力,在紫外光下由于偶氮苯顺反异构化会导致自组装体系的崩溃。然而在本课题的研究中,我们以偶氮苯为中心在苯环两侧接枝苯丙氨酸二肽分子,合成C2v对称结构的凝胶因子,发现365 nm右旋圆偏振光会造成凝胶因子凝胶态的解离,而365 nm的左旋圆偏振光则会使凝胶因子形成有利于自组装的新结构。基于这个有趣的现象,我们通过紫外-可见光光谱、圆二色谱、X射线衍射以及原子力显微镜、扫描电子显微镜等测试手段,分别从微观和宏观形貌上对该手性凝胶因子在圆偏振光下的自组装性能进行了探究。并通过对比实验、高斯理论计算分析,以及其“对映异构体”的超分子自组装趋势和相关领域文献综述,从材料学角度,对圆偏振光调控下的偶氮苯手性凝胶因子自组装机理进行了合理的机理解释。偶氮苯基团的光致异构化与圆偏振光对于二肽单元的手性偏好相互作用之间存在一个微妙的平衡,使凝胶因子立体构型发生变化,改变凝胶因子动态自组装过程中分子间非共价键相互作用的堆积模式,最终影响到宏观层面的超分子自组装行为。这一不寻常的发现会引起科学家们对圆偏振光在控制手性分子以及聚合物分子的超分子自组装的关注,并探索它们在功能材料制备中的潜在功能,并进一步激发科学家从“动态分子手性”的新角度对生命过程中的化学和生物过程进行思考。
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